TC4鈦合金棒材的缺陷分析

張 杰，馬紅征，廖 強，文 寧

（西部鈦業有限責任公司，陜西 西安 710201）

0 引言

鈦及鈦合金是20世紀50年代興起的一種重要金屬結構材料，其中TC4合金是國內外應用最廣泛的α＋β型鈦合金，由于它具有比強度高、耐腐蝕性好和綜合性能優越等特點，在航空航天、化工機械、醫藥工程等行業得到廣泛應用［1－2］。TC4合金常見的缺陷有合金元素的偏析和夾雜物、鑄造組織的殘留、α脆化層、氫脆以及β脆性和鍛造裂紋等。

某單位在對TC4鈦合金棒料加工的產品進行機加工時發現在其表面上有一處4.3mm×0.68mm左右的裂紋，為分析該缺陷產生的原因，避免類似缺陷的發生，筆者采用各種理化檢驗手段對該TC4鈦合金產品進行了分析。

1 缺陷簡述

發現缺陷的TC4棒材規格為Φ190mm×L，它是用3次真空自耗電弧熔煉Φ720mm的鑄錠下料，鑄錠在相變點溫度上開坯成Φ270mm的棒坯，棒坯在相變點下經過四火次鐓拔后鍛造、扒皮、鋸切成型的。TC4棒材的化學成分見表1，符合GB/T3620－2007標準要求；其物理性能見表2，符合GJB1538－92要求，無損檢測符合標準要求，未發現4.3mm×0.68mm的缺陷。

TC4棒改鍛環件工藝是在950℃兩火次加熱，鍛造成餅材，餅材擴口成環材，其缺陷的產生有可能是因為改鍛工藝不當造成開裂，也有可能是棒材本身存在著冶金缺陷如夾雜、偏析、氣孔等，而在隨后的改鍛過程中由冶金缺陷造成開裂。

表1 TC4合金棒的化學成分（質量分數） %

表2 TC4合金棒的物理性能

2 試驗

對缺陷試件通過金相顯微鏡、掃描電鏡及能譜、XPS、顯微硬度計進行了特征鑒定。

2.1 金相檢驗結果

圖1為缺陷的金相組織形貌，圖2為基體部位的金相形貌。從圖1和圖2中可以看到：缺陷區的白色相較基體多，左邊部分為扭曲、未充分變形的粗大α相條狀組織，越是靠近缺陷內腔表面，白色的α相越聚集，也越粗大，缺陷右邊為白色的粗大亮塊，亮塊上分布有黑色的裂紋，基體組織是經過良好變形形成的等軸加β轉組織。

2.2 掃描電鏡形貌及能譜分析

缺陷的橫截面呈長條形，寬約0.6mm。從缺陷橫截面的低倍二次電子像（見圖3）可以看出：缺陷右半部分與基體正常組織之間有較明顯的界線；缺陷左半部分與基體間雖然沒有看到明顯界線，但存在影響區，缺陷斷裂面呈明顯的脆性斷裂特征，有較為明顯的斷裂面，應為準解理斷裂。從對應部位的背散射像（見圖4）可以看到很多從缺陷向基體中延伸的細線，這是明顯的二次裂紋特征。圖5、圖6分別為缺陷區和正常區的能譜成分分析結果，正常區（兩相區）成分很接近Ti－6Al－4V名義成分，而缺陷區Al、V尤其是β相穩定元素V含量很低，V質量分數僅1.8%。

圖1 缺陷處金相組織

圖2 基體金相組織

圖3 缺陷橫截面的低倍二次電子像

圖4 與圖3對應部位的背散射電子像

圖5 缺陷區的能譜分析

圖7為缺陷周邊區域的能譜分析結果，顯示Al、V含量均很低。

2.3 硬度測試結果及分析

由于橫截面缺陷區測試面面積小，測試面與壓頭的垂直度差，不能進行顯微維氏硬度測試，因此對試樣的縱截面缺陷區和基體進行顯微維氏硬度測試，缺陷區按如圖8所示位置測試，基體任意區域選3個測試點。

圖6 正常區的能譜分析

圖7 缺陷周邊區域的能譜分析

從測試硬度值（見表3）可以看出：缺陷區硬度值顯著高于基體，缺陷的平均硬度值高于基體平均值130HV，說明缺陷區域比基體硬。

圖8 缺陷區硬度測試點的區域圖

表3 缺陷區和基體顯微硬度測試值

2.4 XPS光電能譜分析

對試樣的基體和缺陷區進行XPS光電能譜分析，探測兩區域C、N、O氣體元素含量分布的差別。測量采用逐級離子濺射剝離金屬表面空氣氧吸附層逐級測量XPS譜線，在兩次氧含量測量值相近時，XPS測得的譜線為測定區域的本征譜線。XPS分析試樣的位置如圖9所示，P1為基體，P2、P3、P4為缺陷區域。

圖9 XPS分析測試的位置

表4為XPS譜線測量的元素原子數百分含量。從表4可以看出：缺陷區里富氧且含碳和少量氮，鋁、釩含量較基體低，P3區域氧含量最高。

表4 XPS譜線測量的元素原子數百分含量

3 分析討論

缺陷區左邊Al、V含量尤其是V含量偏低，富氧含碳和少量氮，組織為粗大的α相；缺陷區硬度比基體值高，表現為準解理脆性斷裂，缺陷的左邊部和基體無明顯的界限存在影響區，缺陷區左邊的這些特征表征它為低密度偏析區，是在熔煉時受到氧污染而形成的。缺陷的右邊和基體有明顯的界限，Al、V含量偏低，氧含量高于左邊缺陷區，含碳和少量的氮，表現為硬夾雜的特性。

綜合缺陷的左、右特征可以判斷此缺陷是由于氧化的海綿鈦在熔煉過程中形成的，海綿鈦微弱氧化熔化后形成低密度偏析缺陷區，海綿鈦嚴重氧化熔化后形成富氧的夾雜，此缺陷是冶金缺陷。缺陷區富氧含碳和少量氮會使此區域硬度增高和變脆，有時還會形成脆性相Ti3Al，在熱鍛造過程中，此區域變形能力和變形協調能力都很差，熔煉形成的粗大的片狀α和亮塊很難破碎，組織易表現為粗大α，也易產生裂紋，是對材料危害比較大的缺陷。

根據熔煉工藝，此類缺陷容易在鑄錠的底部出現，熔化起弧時，起弧電流不穩定容易使底部鋪撒的海綿鈦氧化和熔化的不充分，形成夾雜和偏析區，探傷時不易發現。為了防止此缺陷給產品帶來的危害，鑄錠的底部應鋸切掉名義直徑6%～8%的長度。

［1］劉瑩，曲周德，王本賢.鈦合金TC4的研究開發與應用［J］.兵器材料科學與工程，2005，28（5）：47－50.

［2］趙樹萍，呂雙坤.鈦合金在航空航天領域中的應用［J］.鈦工業進展，2002（6）：18－21.

［3］張英明，周廉，孫軍，等.鈦及鈦合金真空自耗電弧熔煉技術發展［J］.稀有金屬快報，2008（5）：9－14.

［4］朱勤，張延生，何龍.TC4合金棒材成分偏析組織的分析與判定［J］.稀有金屬快報，2007（5）：37－39.